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基于Atlas的MFIS结构器件电学性能模拟
作者:    时间:2011-09-22    来源:EDN 
 
      

  摘要 利用Atlas器件模拟软件,对MFIS结构器件的C—V特性记忆窗口进行模拟。讨论了应用电压、绝缘层厚度及绝缘层材料等因素,对MFIS结构器件记忆能力及稳定性的影响,为MFIS结构器件的设计和性能提高提供了参考。

  近年来,由具有金属-铁电-绝缘层-半导体(MFIS)结构的铁电场效应晶体管(FeFET)组成的铁电存储器,以其非破坏性读出、存储密度高等优点,成为最具潜力的下一代非挥发性存储器件之一。MFIS结构作为FeFET的核心部件,其电学性能将影响到铁电存储器的存储能力和稳定性。在已有的研究中,研究者一方面采用实验方法研究MFIS结构器件的电学性能,另一方面试图从理论上对器件的电学性能进行研究。

  本文将利用Silvaco公司的Atlas器件模拟软件,结合Miller等人的铁电极化模型及电荷薄片模型,对MFIS结构器件的C—V特性及记忆窗口进行模拟,讨论应用电压、绝缘层厚度及材料对MFIS结构器件的影响,探讨提高MFIS结构器件性能的有效途径。

  1 MFIS器件结构

  MFIS结构是在传统MOS电容器的基础上,在金属电极和绝缘层之间增加具有极化行为的铁电材料,利用铁电层的极化行为进行二进制数据存储。图1为典型MFIS结构及其等效电路,铁电层厚度为df,绝缘层厚度为di。理想情况下,不考虑各层之间的界面捕获电荷、界面态及各层内部空间电荷和杂质的影响。电容器的上电极为肖特基接触,下电极为欧姆接触。基底采用均匀掺杂的p型硅,厚度达到要求。

  2 模拟方法

  Silvaco公司的器件模拟软件Atlas,可以对二维和三维模式下半导体器件的直流、交流及时域响应等进行仿真和分析。为考虑MFIS结构器件中铁电层计划行为的饱和状态及非饱和状态,Miller等人提出的铁电极化模型被改进。在Model语句中引入两种状下的极化模型FerroUnsatFerro,器件的相关参数在Material语句中进行设置。由于MFIS结构器件在实际应用中多工作于高频状态,需要设置Ferro模型中Fer-roDamp参数为1。考虑到铁电薄膜、半导体基底及金属电极之间的功函数关系,MFIS结构的上电极和下电极分别被设定为肖特基接触和欧姆接触。铁电层采用BNT铁电薄膜,厚度为200 nm,其参数可以由文献中得到,具体参数如表1所示。

  3 结果与讨论

  31 应用电压对MFIS结构器件的影响

  应用电压的大小不仅能影响铁电存储器的存储能力及稳定性,还会影响到其与半导体集成电路的兼容性。图2中给出了不同应用电压下MFIS器件的C—V特性及记忆窗口。绝缘层为CeO2,应用电压从2V增加到5 V。由图中可以看出,由于铁电层的极化行为,MFIS器件的C—V曲线在不同的扫描电压方向上出现平移,呈现顺时针的回线状,并且其宽度随应用电压的增加逐渐变宽。MFIS器件的记忆窗口随应用电压的增加而逐渐增大,并在8 V时达到饱和。记忆窗口的大小直接影响着MFIS器件的稳定性。在较小的记忆窗口下,存储器的“0”“1”两个逻辑态容易出现混淆,导致数据存取失败,因此适当增加应用电压,有利于提高MFIS器件的存储稳定性。

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标签:  Atlas  MFIS


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